Volfram in njegove zlitine je mogoče uspešno spojiti s plinskim volframovim obločnim varjenjem,
varjenje s plinskim volframovim obločnim spajkanjem, varjenje z elektronskim žarkom in s kemičnim naparjevanjem.

Ocenjena je bila varivost volframa in številnih njegovih zlitin, konsolidiranih z obločnim litjem, prašno metalurgijo ali tehnikami kemičnega naparjevanja (CVD).Večina uporabljenih materialov je bila nominalno 0,060 in. debela pločevina.Uporabljeni postopki spajanja so bili (1) plinsko volframovo obločno varjenje, (2) plinsko volframovo obločno spajkanje, (3) varjenje z elektronskim žarkom in (4) spajanje s CVD.
Volfram je bil uspešno varjen z vsemi temi metodami, vendar so na trdnost zvarov močno vplivale vrste osnovnih in dodajnih kovin (tj. praškasti ali obločno uliti izdelki).Na primer, zvari v obločno ulitem materialu so bili razmeroma brez poroznosti, medtem ko so bili zvari v izdelkih praškaste metalurgije običajno porozni, zlasti vzdolž talilne linije.Pri zvarih plinskega volframovega obloka (GTA) v nelegirani volframovi pločevini 1/1r, in je najmanjše predgretje 150 °C (ki je bilo ugotovljeno kot temperatura prehoda duktilne v krhkost osnovne kovine) ustvarilo zvare brez razpok.Zlitine volfram-renij so bile kot navadne kovine varljive brez predgretja, vendar je bila poroznost tudi problem praškastih izdelkov iz volframovih zlitin.Videti je bilo, da predgretje ni vplivalo na poroznost zvara, ki je bila predvsem funkcija vrste osnovne kovine.
Temperature prehoda iz duktilne v krhko (DBIT) za zvare z obločnim plinskim volframom v različnih vrstah volframa v metalurgiji prahu so bile 325 do 475 °C v primerjavi s 150 °C za osnovno kovino in 425 °C za varjene z elektronskim žarkom. obločno lit volfram.
Spajkanje volframa z različnimi dodajnimi kovinami očitno ni povzročilo boljših lastnosti spoja kot druge metode spajanja.Uporabili smo Nb, Ta, W-26% Re, Mo in Re kot dodajne kovine pri spajkanju.Nb in Mo sta povzročila hude razpoke.

Spajanje s CVD pri 510 do 560° C

odpravili vse razen majhne količine poroznosti in odpravili tudi težave, povezane z visokimi temperaturami, potrebnimi za varjenje (kot so velika zrna v zvaru in toplotno prizadeta območja).
Uvod
Volfram in zlitine na osnovi volframa se obravnavajo za številne napredne jedrske in vesoljske aplikacije, vključno s termoelektričnimi napravami za pretvorbo, vozili za ponovni vstop, visokotemperaturnimi gorivnimi elementi in drugimi komponentami reaktorjev.Prednosti teh materialov so njihove kombinacije zelo visokih temperatur taljenja, dobre trdnosti pri povišanih temperaturah, visoke toplotne in električne prevodnosti ter ustrezne odpornosti proti koroziji v določenih okoljih.Ker krhkost omejuje njihovo izdelljivost, je uporabnost teh materialov v strukturnih komponentah v strogih delovnih pogojih močno odvisna od razvoja varilnih postopkov za zagotavljanje spojev, ki so po lastnostih primerljivi z osnovno kovino.Zato so bili cilji teh študij (1) določiti mehanske lastnosti spojev, proizvedenih z različnimi metodami spajanja v več vrstah nelegiranega in legiranega volframa;(2) ovrednotiti učinke različnih modifikacij v toplotni obdelavi in ​​tehniki spajanja;in (3) dokazati izvedljivost izdelave preskusnih komponent, primernih za specifične aplikacije.
Materiali
Nelegirani volfram m叮10 m.debele plošče so bile najbolj zanimiv material.Nelegirani volfram v tej študiji je bil proizveden s prašno metalurgijo, obločnim litjem in tehnikami nanašanja s kemično paro.Tabela 1 prikazuje stopnje nečistoč v proizvodih praškaste metalurgije, CVD in obločno litega volframovega volframa.Večina spada v obsege, ki jih nominalno najdemo v volframu

vendar je treba upoštevati, da je CVD material vseboval več kot norma] količine fluora.
Za primerjavo smo združili različne velikosti in oblike volframa in volframovih zlitin.Večinoma je šlo za izdelke praškaste metalurgije, nekaj materialov za obločno litje pa je bilo tudi varjenih.Za določitev izvedljivosti gradbenih struktur in komponent so bile uporabljene posebne konfiguracije.Vsi materiali so bili prejeti v popolnoma hladno obdelanem stanju z izjemo CVD volframa, ki je bil prejet deponiran.Zaradi povečane krhkosti prekristaliziranega in velikozrnatega volframa je bil material varjen v obdelanem stanju, da se zmanjša rast zrn v območju toplotnega vpliva.Zaradi visokih stroškov materiala in sorazmerno majhnih razpoložljivih količin smo zasnovali testne vzorce, ki so uporabili minimalno količino materiala, ki je skladna s pridobivanjem želenih informacij.
Postopek
Ker je temperatura prehoda iz duktilne v krhko (DBTT) volframa nad sobno temperaturo, je treba pri ravnanju in obdelavi biti posebej previden, da preprečite razpoke1.Striženje povzroči razpoke na robovih in ugotovili smo, da brušenje in obdelava z elektroerozijo pustita toplotne zapore na površini.Če jih ne odstranimo s prekrivanjem, se lahko te razpoke širijo med varjenjem in kasnejšo uporabo.
Volfram, tako kot vse ognjevzdržne kovine, je treba variti v zelo čisti atmosferi inertnega plina (plin-volframov obločni postopek) ali vakuuma (elektronski žarek pro:::ess)2, da se izognemo kontaminaciji zvara z vmesnimi deli.Ker ima volfram najvišje tališče od vseh kovin (3410 °C), mora biti varilna oprema sposobna prenesti visoke delovne temperature.

Tabela 1

Uporabljeni so bili trije različni postopki varjenja: plinsko volframovo obločno varjenje, plinsko volframovo obločno spajkanje in varjenje z elektronskim žarkom.Za vsak material so bili določeni varilni pogoji, ki so potrebni za popolno pnevmatizacijo pri minimalnem vložku energije.Pred varjenjem je bil pločevinasti material strojno obdelan v 囚in.široke prazne in razmaščene z etilnim alkoholom.Zasnova spoja je bila kvadratni utor brez koreninske odprtine.
Plinsko volframovo obločno varjenje
Vsi avtomatski in ročni plinski volframovi zvari so bili narejeni v ehamherju, ki je bil vzdrževan pod 5 x I oz.torr približno 1 uro in nato ponovno napolnite z zelo čistim argonom.Kot je prikazano na sliki 1A, je bila komora opremljena z mehanizmom za premikanje in glavo gorilnika za avtomatsko varjenje.Obdelovanec je bil pridržan v bakrenem vpenjalu, opremljenem z volframovimi vložki na vseh stičnih točkah, da bi preprečili, da bi ga varilni udarci spajkali na delo.Podstavek tega vpenjala je vseboval električne grelnike kartuš, ki so predhodno segreli izdelek na želeno temperaturo, slika 1 B. Vsi zvari so bili narejeni pri hitrosti premikanja 10 ipm, eurtoku približno 350 amperov in napetosti od 10 do 15 V. .
Varjenje s plinskim volframom-A『c
Zvari plinskega volframovega spajkanja so bili izdelani v komori z inertno atmosfero s tehnikami, podobnimi

tiste, ki so opisane zgoraj.Trdi zvar na plošči z volframom in W-26% Re dodajno kovino je bil narejen ročno;vendar pa so bili soležni zvari zvarjeni samodejno, potem ko je bila dodajna kovina nameščena v sočelni spoj.
Varjenje z elektronskim žarkom
Zvari z elektronskim žarkom so bili izdelani v 150-kV 20-mA stroju.Med varjenjem je bil vzdrževan vakuum približno 5 x I o-6 torr.Varjenje z elektronskim žarkom ima za posledico zelo visoko razmerje med globino in širino ter ozko območje toplotnega vpliva.
』mazanje s kemično parno dispozicijo
Spoji iz volframa so bili narejeni z nanašanjem nelegiranega volframovega polnila s postopkom kemičnega naparjevanja3.Volfram je bil odložen z vodikovo redukcijo volframovega heksafluorida po reakciji-t
toplota
WFs(g) + 3H,(g)一–+W(s) + 6HF(g).
Uporaba te tehnike za spajanje je zahtevala le manjše spremembe v napeljavah in porazdelitvi toka reaktantov.Glavna prednost tega postopka pred bolj običajnimi metodami spajanja je ta, da so uporabljene nizke temperature (510 do 650 °C) precej nižje od tališča

volfram (3410 °C), prekristalizacija in morebitna nadaljnja krhkost kovane osnovne kovine volframa zaradi nečistoč ali rasti zrn sta čim manjša.
Izdelanih je bilo več modelov spojev, vključno z zapirali na zadnjici in koncih cevi.Odlaganje je bilo izvedeno s pomočjo bakrenega trna, ki je bil uporabljen kot vpenjalo, poravnalni kos in substrat.Po končanem nanašanju smo eopperjev trn odstranili z jedkanjem.Ker je drugo delo pokazalo, da ima CVD volfram zapletene preostale napetosti, ko je odložen, so bili ti spoji izpostavljeni napetosti 1 uro pri 1000 ° do 1600 °C pred strojno obdelavo ali preskušanjem.
Pregled in testiranje
Spoji so bili pregledani vizualno in s tekočim penetrantom ter radiografijo, preden so bili testirani.Tipični zvari so bili kemijsko analizirani na kisik in dušik (tabela 2) in skozi študijo so bili opravljeni obsežni metalografski pregledi.
Zaradi svoje inherentne preprostosti in prilagodljivosti majhnim vzorcem je bil preskus upogiba uporabljen kot primarno merilo za celovitost spoja in primerjavo procesov.Temperature prehoda med duktilno in krhko so bile določene s tritočkovnim upogibnim aparatom za spoje, tako med varjenjem kot po staranju.Osnovni vzorec za upogibne preskuse je bil vzdolžni

čelni upogib, 24t dolg in 12t širok, kjer je t debelina vzorca.Vzorci so bili podprti na razponu 15 t in upognjeni z batom s polmerom 4 t s hitrostjo 0,5 ipm.Ta geometrija je težila k normalizaciji podatkov, pridobljenih na različnih debelinah materialov.Vzorci so bili običajno upognjeni prečno na zvar (vzdolžni upogibni vzorec), da se zagotovi enakomerna deformacija zvara, območja toplotnega vpliva in osnovne kovine;vendar je bilo nekaj vzorcev za primerjavo upognjenih vzdolž varjenega šiva (prečni upogibni primerek).Upogibi obraza so bili uporabljeni v začetnih delih preiskave;vendar so zaradi rahle zareze, ki je bila ugotovljena na delih večine zvarov zaradi teže staljene kovine, v kasnejših preskusih nadomestili korenske upogibe.Priporočila svetovalnega odbora za materiale6 v zvezi s preskusom upogibanja vzorcev pločevine so bila čim bolj upoštevana.Zaradi omejenega materiala so bili izbrani najmanjši priporočljivi primerki.
Za določitev prehodne temperature upogiba je bila naprava za upogibanje zaprta v peč, ki je lahko hitro dvignila temperaturo na 500 °C. Upogib od 90 do 105 stopinj je bil obravnavan kot polni upogib.DBTT je bil definiran kot najnižja temperatura, pri kateri se speeimen popolnoma upogne brez škripanja.Čeprav so bili preskusi izvedeni na zraku, razbarvanje vzorcev ni bilo vidno, dokler preskusne temperature niso dosegle 400 °C.

Slika 1

Rezultati za nelegirani volfram
Splošna varljivost
Plinsko obločno varjenje z volframovim plinom 1 乍in.debelo nelegirano pločevino, je treba izdelek precej predhodno segreti, da se prepreči krhka odpoved pod obremenitvijo, ki jo povzroči toplotni šok.Slika 2 prikazuje tipičen zlom, ki nastane z varjenjem brez ustreznega predgretja.V lomu se vidi velika zrnatost in oblika zvara in toplotno prizadeto območje.Raziskava temperatur predgretja od sobne temperature do 540°C je pokazala, da je predgretje na najmanj 150°C potrebno za konsistentno izdelavo sočelnih zvarov v enem prehodu brez razpok.Ta temperatura ustreza DBTI osnovne kovine.Zdi se, da predgretje na višje temperature pri teh preskusih ni potrebno, vendar material z višjim DBTI ali konfiguracije, ki vključujejo močnejše koncentracije napetosti ali masivnejše dele, lahko zahtevajo predgretje na višje temperature.
Kakovost zvara je v veliki meri odvisna od postopkov, uporabljenih pri izdelavi osnovnih kovin.Avtogeni zvari v obločno litem volframu so v bistvu brez poroznosti, sl.
3A, vendar so za zvare v metalurgiji prahu volframa značilna velika poroznost, slika 3 (b), zlasti vzdolž talilne linije.Količina te poroznosti, slika 3B, zlasti vzdolž 3C, v zvarih, izdelanih v zaščitenem izdelku z nizko poroznostjo (GE-15 proizvaja General Electric Co., Cleveland).
Plinski volfram-obločni zvari pri CVD volframu imajo neobičajne toplotno prizadete cone zaradi zrnate strukture 0£osnovnega metaF.Slika 4 prikazuje ploskev in ustrezen prečni prerez takšnega sočelnega zvara s plinskim volframovim oblokom.Upoštevajte, da so drobna zrna na površini substrata zrasla zaradi toplote pri varjenju.Očitno je tudi pomanjkanje rasti velikega stebra

zrna.Stebrasta zrna imajo plin
bubb_les na mejah zrn, ki jih povzročajo nečistoče fluora8.Posledično, če
finozrnata površina substrata se pred varjenjem odstrani, zvar ne vsebuje metalografsko zaznavnega območja toplotnega vpliva.Seveda ima območje zvara, obdelanega s CVD (kot so ekstrudirane ali vlečene cevi), običajno prekristalizirano zrnato strukturo.
Najdene so bile razpoke na stebrastih mejah zrn v RAZ več zvarov v CVD volframu.To pokanje, prikazano na sliki 5, je povzročilo hitro nastajanje in rast mehurčkov na mejah zrn pri visokih temperaturah9.Pri visokih temperaturah, povezanih z varjenjem, so lahko mehurčki zaužili velik del mejne površine zrn;to je skupaj s stresom, ki nastane med ohlajanjem, potegnilo meje zrn narazen, da je nastala razpoka.Študija nastajanja mehurčkov v usedlinah volframa in drugih kovin med toplotno obdelavo kaže, da se mehurčki pojavljajo v kovinah, ki so nanesene pod 0,3 Tm (homologna temperatura taljenja).Ta ugotovitev nakazuje, da plinski mehurčki nastanejo s koalescenco ujetih prostih mest in plinov med žarjenjem.V primeru CVD volframa je plin verjetno fluor ali fluoridna spojina
Varjenje z elektronskim žarkom – Nelegirani volfram je bil varjen z elektronskim žarkom s predgretjem in brez njega.Potreba po predgretju se razlikuje glede na vzorec.Za zagotovitev zvara brez razpok je priporočljivo predhodno segrevanje osnovne kovine vsaj na DBTT.Vari z elektronskim žarkom v izdelkih praškaste metalurgije imajo tudi prej omenjeno poroznost zvara.

Varjenje s plinskim volframovim oblokom 一 V prizadevanju, da bi ugotovili, ali je varjenje s trdim spajkom mogoče uporabiti s pridom, smo eksperimentirali s postopkom plinskega volframovega spajkanja za izdelavo spajkanih zvarov na volframovo pločevino iz praškaste metalurgije. čelni spoj pred varjenjem.Zvari za spajkanje so bili izdelani z nelegiranimi Nb, Ta, Mo, Re in W-26% Re kot dodajnimi kovinami.Kot je bilo pričakovano, je prišlo do poroznosti na talilni črti v metalografskih odsekih vseh spojev (slika 6), saj so bile navadne kovine izdelki praškaste metalurgije.Zvari, narejeni z niobijem in molibdenom, so pokali.
Trdote zvarov in spajkanih zvarov smo primerjali s pomočjo študije zvarov na plošči, izdelanih z nelegiranim volframom in W一26 % Re kot dodajnimi kovinami.Zvari z varjenjem iz plinskega volframa in spajkanje so bili izdelani ročno na nelegiranih izdelkih metalurgije volframovega prahu (nizka poroznost, lastniški (GE-15) razred in tipični komercialni razred).Zvari in spajkani zvari v vsakem materialu so bili starani pri 900, 1200, 1600 in 2000 °C l, 10, 100 in 1000 ur.Vzorci so bili pregledani metalografsko in merili trdoto čez zvar, toplotno prizadeto območje in osnovno kovino tako po varjenju kot po toplotni obdelavi.

Tabela 2

Slika 2

Ker so bili materiali, uporabljeni v tej študiji, izdelki praškaste metalurgije, so bile v nanosih zvara in spajkanja prisotne različne količine poroznosti.Spet so imeli spoji, narejeni s tipično prašno metalurgijo volframovo osnovno kovino, večjo poroznost kot tisti, narejeni z nizko poroznostjo, lastniškim volframom.Spajkani zvari, narejeni z W—26 % Re dodajno kovino, so imeli manjšo poroznost kot zvari, narejeni z nelegirano volframovo dodajno kovino.
Na trdoto zvarov, izdelanih z nelegiranim volframom kot dodajno kovino, ni bilo opaziti vpliva časa ali temperature.Pri varjenju so bile meritve trdote zvara in osnovnih kovin v bistvu konstantne in se po staranju niso spremenile.Vendar pa so bili spajkani zvari, narejeni z W-26% Re dodajno kovino, precej trši kot izdelani kot osnovna kovina (slika 7).Verjetno je bila višja trdota zvarnega nanosa W-Re br立e posledica utrjevanja trdne raztopine in/ali prisotnosti faze, ki je fino porazdeljena v strjeni strukturi.Fazni diagram volframrenija11 kaže, da se med hitrim ohlajanjem lahko pojavijo lokalizirana območja z visoko vsebnostjo renija in povzročijo nastanek trde, krhke er faze v zelo ločeni podstrukturi.Verjetno je bila faza er fino razpršena v zrnih ali mejah zrn, čeprav nobena ni bila dovolj velika, da bi jo identificirali bodisi z metalografskim pregledom bodisi z rentgensko difrakcijo.
Na sliki 7A je trdota prikazana kot funkcija razdalje od središčne črte spajkanega zvara za različne temperature staranja.Upoštevajte nenadno spremembo

v trdoti na talilni črti.Z naraščajočo temperaturo staranja se je trdota spajkanega zvara zmanjšala, dokler ni bila po 100 urah pri J 600 °C trdota enaka trdoti nelegirane osnovne kovine iz volframa.Ta trend zmanjševanja trdote z naraščajočo temperaturo je veljal za vse čase staranja.Podaljšanje časa pri konstantni temperaturi je povzročilo tudi podobno zmanjšanje trdote, kot je prikazano za temperaturo staranja 1200 °C na sliki 7B.
Spajanje s kemičnim naparjevanjem—Spajanje volframa s tehnikami CVD je bilo raziskano kot metoda za izdelavo zvarov v različnih oblikah vzorcev.Z uporabo ustreznih pritrdilnih elementov in mask za omejitev odlaganja na želena območja so bile spojene pločevine s CVD in prašno metalurgijo volframa ter izdelane končne zapore na cevkah.Odlaganje v poševnino z vključenim kotom približno 90 stopinj je povzročilo razpoke, slika 8A, na presečiščih stebrastih zrn, ki rastejo iz ene strani poševnine in substrata (ki je bil vgraviran).Vendar pa so bili doseženi spoji z visoko celovitostjo brez razpok ali velikega kopičenja nečistoč, slika 8B, ko je bila konfiguracija spoja spremenjena z brušenjem površine osnovne kovine na polmer ¼ in.tangentno na koren zvara.Za prikaz tipične uporabe tega postopka pri izdelavi gorivnih elementov je bilo izdelanih nekaj končnih zapiral v volframovih ceveh.Ti spoji so bili neprepustni pri testiranju s helijevim masnim spektrometrom detektorja puščanja.

Slika 3

Slika 4

Slika 5

Mehanske lastnosti
Preskusi upogiba talilnih zvarov一Prehodne krivulje iz duktilne v krhko so bile določene za različne spoje v nelegiranem volframu.Krivulje na sliki 9 kažejo, da je bil DBTT dveh osnovnih kovin praškaste metalurgije približno 150 °C. Običajno se je DBTT (najnižja temperatura, pri kateri je mogoče narediti upogib od 90 do 105 stopinj) obeh materialov močno povečal po varjenju. .Temperature prehoda so se povečale za približno 175 °C na vrednost 325 °C za tipičen volfram v metalurgiji prahu in povečale za približno 235 °C na vrednost 385 °C za lastniški material z nizko poroznostjo.Razliko v DBTT zvarjenega in nesvarjenega materiala smo pripisali veliki velikosti zrn in možni prerazporeditvi nečistoč zvarov in toplotno prizadetih območij.Rezultati preskusa kažejo, da je bil DBTT tipičnih zvarov volframove metalurgije prahu nižji kot pri zaščitenem materialu, čeprav je imel slednji manjšo poroznost.Večji DBTT zvara pri volframu z nizko poroznostjo je morda posledica nekoliko večje velikosti zrn, sliki 3A in 3C.
Rezultati raziskav za določitev DBTT za številne spoje v nelegiranem volframu so povzeti v tabeli 3. Upogibni preskusi so bili precej občutljivi na spremembe v preskusnem postopku.Zdi se, da so koreninski zavoji bolj duktilni kot čelni zavoji.Zdi se, da pravilno izbrana razbremenitev napetosti po varjenju bistveno zniža DBTT.CVD volfram je imel, ko je bil varjen, najvišji DBTT (560 ℃)； ko pa je bil po varjenju 1 ura razbremenjen napetosti 1000 ℃, je njegov DBTT padel na 350 ℃.razbremenitev napetosti 1000 ° C po varjenju, je njegov DBTT padel na 350 ° C. Razbremenitev napetosti obločno varjenega volframa v praškasti metalurgiji za 1 uro pri 18000 C je zmanjšala DBTT tega materiala za približno 100 ° C od vrednosti, določene zanj kot- varjene.Razbremenitev 1 ure pri 1000 °C na spoju, izdelanem s CVD metodami, je povzročila najnižji DBTT (200 °C).Opozoriti je treba, da čeprav je bila ta temperatura prehoda precej nižja od katere koli druge temperature prehoda, določene v tej študiji, je na izboljšanje verjetno vplivala nižja stopnja deformacije (0,1 proti 0,5 ipm), uporabljena pri testih na CVD sklepih.

Preskus upogiba zvarov s trdo spajko – zvarov s plinskim volframovim oblokom, izdelanih z Nb.Ta, Mo, Re in W-26% Re kot dodajne kovine so bili prav tako preizkušeni zaradi upogibanja in rezultati so povzeti v tabeli 4. Največja duktilnost je bila dosežena z renijevim spajkanjem.

Čeprav rezultati te bežne študije kažejo, da lahko različna dodajna kovina ustvari spoje z mehanskimi lastnostmi znotraj hiše homogenih zvarov v volframu, so lahko nekatere od teh dodajnih kovin uporabne v praksi.

Rezultati za Volframove zlitine.